含有微量養分的肥料組合物及其制備方法與流程

本申請要求2014年3月7日提交的美國臨時專利申請第61/949,740號的權益，該專利申請的全部內容以參考的方式并入本文中。

技術領域

本發明總體上涉及一種包含微量養分的顆粒肥料。具體地，本發明涉及一種其中在肥料的制粒之前和/或在肥料的制粒期間將微量養分添加到肥料中的顆粒肥料。

背景技術：

許多化學元素(包括礦質元素和非礦質元素兩者)對于植物的生長和生存而言是重要的。非礦質元素可以包括例如氫、氧和碳，通常可從周圍的空氣和水中獲得。礦質養分(包括氮、磷和鉀)是在土壤中獲得或提供，以便被植物的根所吸收。

礦質養分一般可以分為兩組：大量養分(包括主要養分和二級養分)、及微量養分。基本礦質養分包括氮(N)、磷(P)和鉀(K)。大量的這些養分對于植物的生存而言是必不可少的，因此通常構成大部分的肥料組合物。除了主要養分外，所需的二級養分的量遠小于主要養分的量。二級養分可以包括例如鈣(Ca)、硫(S)和鎂(Mg)。微量養分可以包括例如硼(B)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、氯(Cl)、鈷(Co)、鈉(Na)、及其組合。

具體地就微量養分而言，微量養分源在它們的物理狀態、化學反應性、成本、和植物利用率方面有顯著的不同。用于作物的微量養分施加的最常見方法是土壤施肥。推薦的施肥量通常為小于10磅/英畝(基于元素)，因此單獨地將微量養分源在農田中均勻施肥會是困難的。將微量養分加入混合肥料中是一種方便的施肥方法，并且允許使用常規的施肥設備更均勻地分布。通過排除單獨的施肥步驟，也可降低成本。與混合肥料一起施加微量養分的四種方法可以包括：在制造期間的摻合、與顆粒狀肥料的摻混、包膜到顆粒狀肥料上、和與流體肥料的混合。

在制造期間的摻合是指當正在生產肥料顆粒時將一種或多種微量養分直接地摻合到肥料顆粒(例如氮磷鉀肥(NPK)、尿素、鉀肥、或磷酸鹽肥料)中。該措施允許各肥料顆粒具有期望微量養分的一致濃度及微量養分在整個顆粒狀肥料中的均勻分布。因為肥料顆粒被均勻地分散在種植區域中，所以所含有的微量養分也被均勻地分散。

與顆粒狀肥料的摻混是單獨地將顆粒狀二級養分和/或微量養分化合物與顆粒狀肥料(例如磷酸鹽或鉀肥料)摻混的措施。該措施的主要優點是可以生產出將在普通肥料施加量下為特定農田提供推薦的微量養分施加量的肥料等級。主要缺點是在共混操作和隨后的搬運期間會發生養分的分離。為了減小或防止在搬運和運輸期間的尺寸分離，微量養分顆粒必須接近與磷酸鹽和鉀肥顆粒相同的尺寸。因為就植物營養而言所需的微量養分的量是非常小的，所以該措施已導致微量養分顆粒的不均勻分布，并且通常大多數的植物遠不能立即獲益，因為在整個生長季節中大部分微量養分顆粒在土壤溶液中僅移動達數毫米。

顆粒狀肥料的包膜降低分離的可能性。然而，一些粘結材料常常卻是不令人滿意的，因為它們在套袋、貯存和搬運期間不能保持微量養分包膜，這導致微量養分源與顆粒狀肥料組分的分離。已采取了步驟來減少在二級養分和微量養分情況下的分離問題，例如名稱為“含硫肥料組合物及用于制備該組合物的方法”的美國專利第6,544,313號中所描述的在肥料部分中的硫或硫小片的情況、以及在名稱為“用于生產含有微量養分的肥料的方法”的美國專利第7,497,891號中所描述的微量養分的情況，這兩個專利的全部內容以參考的方式并入本文中。

對于使微量養分導入土壤溶液中并最終導入植物根區的量最大化的、含有一種或多種微量養分的肥料產品仍然存在著需求。

技術實現要素：

本發明的實施方式涉及一種含有微量養分的顆粒肥料、及相關的制造方法，該顆粒肥料具有至少一種主要養分和至少一種微量養分源。在本發明的一個實施方式中，將微量養分溶解于用于肥料生產或制粒中的一個階段的進料流或工藝流中。將微量養分作為非反應物加入肥料的生產過程中，使得微量養分在全部所形成肥料顆粒中被均勻地濃縮。

在一個實施方式中，在制粒之前，將微量養分溶解于流入含有主要養分肥料的配制中所使用預中和器或反應器的進料流或洗滌器水流中，以使微量養分分布遍及肥料中。在另一個實施方式中，可以將微量養分溶解于進料流(例如酸進料流)中，再加入旋轉的制粒滾筒中以使所配制的肥料顆粒化，從而在制粒期間將預養分施加到肥料中。不同于其中顆粒肥料和微量養分由于尺寸分離因而會分離的摻混，被結合或施加到溶解于進料流中的肥料中的微量養分在運輸和搬運期間不大可能從顆粒肥料中分離出。

根據本發明一個實施方式的生產肥料的方法通常包括在預中和器和/或反應器中配制一定量的肥料。該方法還可以包括在旋轉的制粒滾筒中使肥料顆粒化。該方法還可以包括使肥料顆粒干燥并且去除不落在預定范圍內的肥料顆粒以便再加工成正確的粒徑。

在具體地涉及到磷酸鹽肥料(例如一磷酸銨(MAP)或二磷酸銨(DAP))的生產的一個實施方式中，所述方法還可以包括將一種或多種期望的微量養分的化合物溶解于流入預中和器或反應器的磷酸進料流中。該微量養分化合物是不影響主要養分肥料的配制的非反應物組分；相反該微量養分化合物分布于整個所形成的肥料顆粒中。在此構造中，可以對溶解于進料流中的微量養分的相對濃度進行調整，從而影響微量養分在肥料中的最終濃度。

在另一個實施方式中，所述方法還可以包括將一種或多種期望的微量養分的化合物溶解于流動到預中和器或反應器的洗滌器水返回流中。類似地，微量養分化合物是在配制過程期間分布于整個主要養分肥料中的非反應物組分。如同溶解于進料流中的微量養分，可以對溶解于洗滌器返回流中的微量養分的相對濃度進行調整，從而影響微量養分在肥料中的最終濃度。

在又一個實施方式中，所述方法還可以包括在主要養分肥料的制粒期間將一定量的磷酸加入到制粒滾筒中，以便一磷酸銨(MAP)生產中的回滴定(即，降低N：P摩爾比)，其中將一種或多種微量養分的化合物或微量養分源溶解于此磷酸流中。通過改變溶解于此磷酸流中的微量養分的相對濃度，而調整施加給肥料顆粒的微量養分的量。

以上對本發明各種代表性實施方式的概述并非意圖描述各所說明的實施方式或者本發明的每個實施例。相反，對實施方式進行選擇和描述，使得本領域技術人員可以領會并理解本發明的原理和措施。在下面的詳細說明中的附圖更具體地舉例說明了這些實施例。

附圖說明

基于以下對本發明各種實施方式的詳細說明并結合附圖，可以完全地理解本發明，在附圖中：

圖1是根據本發明一個實施方式的、用于生產顆粒肥料的系統的示意性流程圖。

圖2是根據本發明一個實施方式的、包括洗滌器子系統的用于生產顆粒肥料的系統的示意性流程圖。

圖3是根據本發明一個實施方式的、包括流入制粒滾筒中的磷酸流的用于生產顆粒肥料的系統的示意性流程圖。

圖4是溶解度曲線，該溶解度曲線顯示了不同的氮與磷摩爾比的磷酸銨在不同溫度下的水溶解度。

雖然本發明適合于各種修改和替代形式，但其細節已通過附圖中的舉例而得以揭示并且將詳細地進行描述。然而，應當理解的是本發明并非意圖將本發明局限于所描述的具體實施方式。相反，本發明應涵蓋落在由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍內的所有修改、等同物和替代物。

具體實施方式

如圖1-圖3中所示，根據本發明一個實施方式的用于生產一定量的肥料顆粒的方法通常包括：漿體制備階段10、制粒階段12和尺寸分離/修正階段14。

如圖1-圖2中所示，漿體制備階段10可以包括配制步驟16，其中在預中和器和/或反應器中至少部分地以化學方法生產一定量的肥料(例如，磷酸鹽肥料或硫酸銨肥料)。該肥料可以包括但不限于磷酸一銨(MAP)或磷酸二銨(DAP)、或者三重特極磷酸鹽肥料及其組合。

更具體地，磷酸銨肥料是通過使磷酸(H₃PO₄)與氨(NH₃)在放熱反應中發生反應而生產。磷酸一銨(“MAP”)或磷酸二銨(“DAP”)可以根據以下的反應并基于這兩種反應物的比率而生產：

NH₃+H₃PO₄→(NH₄)H₂PO₄(MAP)

2NH₃+H₃PO₄→(NH₄)₂HPO₄(DAP)

在一個實施方式中，配制階段16包括預中和器，該預中和器是攪拌反應器，由磷酸(磷酸)與氨的組合而生產磷酸銨漿體。例如，MAP、DAP、或者其組合可以基于加料到預中和器中的氨與磷酸的比率而生產。

在本發明的另一個實施方式中，配制步驟16包括管式反應器，例如十字形管式反應器，在其中通過使氨與磷酸發生反應而形成磷酸銨。如同預中和器，MAP和/或DAP可以基于加料到管式反應器中的氨與磷酸的比率而生產。

在本發明的又一個實施方式中，配制步驟16包括預中和器與十字形管式反應器(PCR)的組合，其中一部分的磷酸銨肥料是在預中和器中形成，而另一部分是在十字形管式反應器中形成，例如美國專利第7,497,891號中所描述，在前面該專利的全部內容以參考的方式并入本文中。

在各種階段中被加入本文中所描述各種組分中的氨和磷酸的量，是基于溶解度曲線進行控制(Frank Achorn和David Saliday，“TVA旋轉氨制粒機的使用中的最近進展”，AlChE會議，華盛頓特區，1983年11月)，重現于圖4中，圖中顯示不同的氮與磷摩爾比的磷酸銨在不同溫度下的水溶解度。如圖4中所示，在溶解度曲線中存在兩個低點部，分別在1.0和2.0的N：P比處。在這些下降部處，非常少的磷酸銨留在溶液中。在1.0處的下降部代表磷酸一銨(MAP)，在2.0處的下降部代表磷酸二銨(DAP)。該曲線還顯示溶解度隨著溫度升高而增加。

例如，當如上所述將十字形管式反應器(PCR)并入生產階段10中時，該PCR是在大幅升高的溫度下運行。在這些溫度下，磷酸銨是熔融的液體，因而可以以在大約1.0至2.0范圍內的期望的氨與磷酸(N：P)比率將氨和磷酸加料到PCR中。

另一方面，從預中和器行進到制粒機的磷酸銨是處在顯著降低的溫度下。預中和器中的N：P摩爾比是在低溶解度的低點部的外側，并且這可以有助于在下述的制粒階段12中在導入制粒機之前將磷酸銨保持為漿體的狀態。例如，為了制造磷酸一銨(MAP)，加料到預中和器中的反應物的N：P比可以是0.3至0.9、更具體地0.5至0.7、更具體地0.55至0.65。為了制造磷酸二銨(DAP)，被加料到預中和器中的反應物的N：P比可以是1.1至1.7、更具體地1.3至1.5、更具體地1.35至1.45。

再次參照圖1，在一個實施方式中，預中和器和/或反應器可以包括至少一個進料流18，該進料流18是用于將至少一種進料成分(例如磷酸)提供至預中和器和/或反應器用于肥料的配制。

在圖2中所示的另一個實施方式中，預中和器和/或反應器還可以包括廢氣輸出流20。在此構造中，廢氣洗滌器22的水流與廢氣輸出流20交匯從而形成含有溶解的未反應成分的水返回流24，該水返回流24被加回預中和器和/或反應器中。

如圖1-圖2中所示，預中和器和/或反應器還可以包括至少一條微量養分進料流26。該微量養分進料流26可以提供至少一種微量養分，包括但不限于硼、銅、鐵、鎂、鉬、鋅及其組合。在一個具體實施例中，將一種或多種微量養分以化合物的形式(例如采用氧化物、硫化物、碳酸鹽、或硫酸鹽、和/或其水合物的形式)溶解于進料流中。這些化合物可以包括例如氧化鋅(ZnO)、四硼酸鈉(Na₂B₄O₇或Na₂B₄O₇·5H₂O)、或者其它類似的化合物。

如圖1中所示，在本發明的一個實施方式中，微量養分進料流26可以與進料流18交匯，從而將微量養分溶解于用于初級中和器的含原料成分的進料流18中。如圖2中所示，在本發明的另一個實施方式中，微量養分進料流26可以與水返回流24交匯，從而將微量養分溶解于水返回流24中。微量養分是主要養分配制反應(即基肥配制)中的非反應物，但分布遍及各個肥料顆粒。通過調整經過微量養分進料流所提供的微量養分的量，可以改變微量養分在各個肥料顆粒中的最終濃度。

如圖1-圖3中所示，制粒階段12還可以包括制粒步驟28和干燥步驟30。在制粒步驟28中，使所配制的肥料漿體或物料在旋轉制粒滾筒中旋轉，從而形成肥料顆粒的滾動床。在一個實施方式中，制粒滾筒還可以包括磷酸進料流32，該進料硫32是用于肥料的回滴定(即，用以降低N：P的摩爾比)。

如圖3中所示，旋轉制粒滾筒還可以包括微量養分進料流36，該進料流36是用于將至少一種微量養分直接地提供入制粒滾筒并且/或者提供至流動到制粒滾筒的磷酸進料流32。通過調整溶解于磷酸進料流32中并且/或者被直接地加到滾筒中的微量養分的量，可以改變施加至主要養分的微量養分的量。在一個實施方式中，將微量養分以化合物的形式導入進料流32中，該化合物然后溶解于進料流中。

具體地就磷酸銨肥料而言，制粒階段14還可以包括噴射步驟34，其中在床下氨噴射器中對肥料顆粒進行處理以便完成磷酸銨反應，從而形成期望的磷酸銨肥料。在干燥步驟30中，使肥料顆粒干燥從而降低含水量并且除去未反應的揮發物。

任選地，制粒階段14可以包括硫源，例如元素硫或硫酸鹽硫，例如美國專利第6,544,313號中所描述，在前面該專利的全部內容以參考的方式并入本文中。可以在制粒滾筒中將硫源施加給顆粒，例如通過將熔融硫噴射到顆粒上。

如圖1-圖3中所示，尺寸分離/修正階段14還可以包括產品篩分步驟36，其中根據粒徑將顆粒肥料劃分成多個流。在產品篩分步驟36中，使一定量的肥料顆粒通過多個分級篩，從而將肥料顆粒劃分入正確粒徑流38、粒徑過小流40、和粒徑過大流42。正確粒徑流38包含具有在大約2mm至大約4mm之間的粒徑的肥料顆粒。在一個實施方式中，肥料顆粒的尺寸被設計成在土壤中分解成其組成顆粒，從而增大與植物根相互作用的表面積。粒徑過小流40包含具有小于20泰勒標準篩號的粒徑的肥料顆粒。可以使粒徑過小流40中的肥料顆粒返回到制粒階段20以便進行追加處理。類似地，粒徑過大流42包含具有大于4泰勒標準篩號的粒徑的肥料顆粒，這些肥料顆粒經歷破碎步驟44從而將粒徑減小到適當的范圍內。

雖然本發明適合于各種修改和替代形式，但已通過附圖中的舉例揭示并詳細描述了其細節。然而，應當理解的是，本發明并非將本發明局限于所描述的具體實施例。相反，意圖是涵蓋落在由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍內的所有修改、等同物和替代物。